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        木材表面仿制類玫瑰花超疏水結(jié)構(gòu)研究*

        2020-12-30 01:35:54張澤宇金宇喬龐久寅孫耀星
        林產(chǎn)工業(yè) 2020年12期

        趙 艷 張澤宇 金宇喬 龐久寅 孫耀星

        (北華大學木質(zhì)材料科學與工程重點試驗室,北華大學, 吉林 132013)

        木材具有較強的濕脹性、干縮性,受水分影響大,易腐蝕、霉變、開裂和變形,影響其在家具領(lǐng)域的應(yīng)用[1-6],因此采取裝飾處理木材表面以增強疏水性,提高其經(jīng)久耐用性[7-9]。近年來,以具有疏水效應(yīng)的荷葉、稻葉、玫瑰花及昆蟲腿、翅膀等為原型,開展了關(guān)于仿制疏水材料的諸多研究[10-12]。玫瑰花表面具有高粘附疏水性[13-15],花瓣表面帶有納米褶皺的微乳突陣列,這些有規(guī)律的微納結(jié)構(gòu)為疏水效應(yīng)提供了足夠的粗糙度。Wang等[16-17]根據(jù)自然界存在的疏水現(xiàn)象,通過化學試劑進行仿生,使木材具有與玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)相同的微納表面,從而擁有疏水特性,解決了木材親水問題。仿生研究采用的方法包括熱壓法[18]、化學氣相沉積法[19]和模板印刷法[20]等。Lee等[21]應(yīng)用熱壓法,將聚苯乙烯(PS)壓入多孔的氧化鋁中,降溫后去除氧化鋁模板,得到具有疏水特點的聚苯乙烯表面。Zhao 等[22]采取化學氣相沉積法得到疏水薄膜,但該方法成本較高,不能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。王麗芳等[23]運用靜電紡絲技術(shù)于玻璃表面構(gòu)造出納米纖維網(wǎng)膜結(jié)構(gòu),測得接觸角大于150°、滾動角小于5°。Peng等[24]采用模板印刷法,以新鮮芋葉為母板,構(gòu)建具有細微空腔的表面結(jié)構(gòu),通過浸漬涂覆法修飾改性,疏水性能顯著提高。

        本試驗以玫瑰花瓣為模板,聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)為試劑,研究采用模板印刷法[25-26]使木材具有和玫瑰花紋理結(jié)構(gòu)相同的仿生疏水表面,制備具有與玫瑰花相同疏水性能的仿生疏水木材,以提高木材的利用率,擴大木材在家具行業(yè)的應(yīng)用范圍。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        新鮮玫瑰花瓣(Nova rosa petalis),楊木(Populus pars),市購;乳白膠,市購;聚二甲基硅氧烷(PDMS),分析純,天津瑞金特有限公司;聚乙烯醇(PVA),分析純,天津瑞金特有限公司。

        1.2 試驗設(shè)備

        電熱恒溫水浴鍋,金壇市富華儀器有限公司;磁力攪拌器,金壇市富華儀器有限公司;真空干燥箱,天津市試驗儀器廠;接觸角測定儀,德國Dataphysics公司;掃描電子顯微鏡,美國 FEI 公司。

        1.3 聚乙烯醇溶液試劑制備

        稱取聚乙烯醇(PVA)粉末1、3、5、8、10 g于 5 個三口瓶中,分別加入99、97、95、92、90 g蒸餾水,85~90 ℃水浴加熱之,磁力攪拌器攪拌均勻,直至PVA溶液澄清,制備濃度為1%、3%、5%、8%、10%的聚乙烯醇溶液。

        1.4 仿生玫瑰花瓣試樣制備

        用乳白膠將修剪后的玫瑰花瓣粘黏在玻璃板上。量取20 mLPDMS主劑,2 mL PDMS固化劑于燒瓶中,磁力攪拌10 min后,靜置3 h消除氣泡,均勻滴加在玫瑰花瓣表面。在60 ℃下真空干燥2 h,剝離PDMS軟薄膜得到玫瑰花瓣的負型。將PDMS軟薄膜貼在涂抹有不同濃度PVA試劑的楊木樣板上,靜置12 h剝離PDMS軟薄膜,得到玫瑰花瓣的正型。具體制備流程如圖1 所示。

        圖1 玫瑰結(jié)構(gòu)表面仿生制備流程Fig.1 Process of preparing biomimetic rose structure surface

        1.5 分析與表征

        用接觸角測定儀測定接觸角大?。y試精度為0.05°或0.25°),測定5 組數(shù)據(jù),每組5 個試件,并求取平均值。通過掃描電子顯微鏡(SEM, FEI, Quanta 200)觀測楊木表面的形貌。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同試樣表面的水珠形態(tài)分析

        圖2 為液滴在玫瑰花與木材試件表面的宏觀圖片。由圖2a可見,水珠在玫瑰花表面呈球形狀態(tài),說明玫瑰花瓣表面具有極強的疏水性能。圖2b所示,水珠在普通楊木試件表面明顯浸濕表面,其接觸角約為59.25°,表明木材是親水材料,疏水性能較差。圖2c為水珠在涂有聚乙烯醇(PVA)楊木試件表面的宏觀照片,水珠浸潤表面,其接觸角約為65.18°,表現(xiàn)出較強的親水性能。圖2d為水珠在仿生玫瑰花瓣表面的圖片,水珠呈球形狀態(tài),其接觸角約為143.5°,表現(xiàn)出較強的疏水性能。試驗結(jié)果表明,木材經(jīng)過仿生后,其接觸角由原來的59.25°提高到143.5°,具有類似于玫瑰花瓣的疏水性能。

        圖2 液滴在玫瑰花與木材試件表面的形態(tài)Fig.2 The shape of water drop on the surface of rose and wood

        2.2 不同濃度PVA對接觸角的影響

        如表1 所示,在室溫下,對使用不同濃度聚乙烯醇(PVA)的楊木表面進行接觸角測定,結(jié)果取其平均值。

        表1 不同濃度聚乙烯醇(PVA)的接觸角Tab.1 Contact angle of PVA with different concentration

        圖3 為未改性木材、玫瑰花及仿生木材的接觸角的折線圖及微觀圖片(以第3 組試驗的接觸角為例)。由圖3a可知,木材表面的水珠接觸角為59.25°,表明木材具有極強的親水性。由圖3b可知,涂有聚乙烯醇(PVA)溶液的木材接觸角為65.18°,與未改性的楊木試件表面的接觸角沒有太大差異,說明該試劑單獨涂在木材上并沒有明顯提高木材的疏水性能,因此排除該試劑對木材疏水性的影響。圖3c-f分別顯示的是水珠在使用濃度為1%、3%、5%、8%PVA的仿生玫瑰花表面的接觸角。在以濃度為1%的PVA膜為母版并經(jīng)過模板法處理的木材表面,水珠接觸角的平均值為125.94°,相比于普通板材,木材疏水性得到顯著提高。此外,PVA濃度越高,水珠在仿生木材表面的接觸角越大,但是變化不顯著。圖3g所示,水珠在濃度為10%PVA的仿生玫瑰花表面的形態(tài),接觸角的平均值為142.34°,可以看出其疏水性能極強。圖3h為玫瑰花表面,水珠接觸角為143.5°,較豐滿圓潤。試驗結(jié)果表明,10%聚乙烯醇(PVA)接觸角與玫瑰花表面最為接近,表現(xiàn)出更好的疏水效果,仿生玫瑰花瓣的木材表面具有較強的疏水性能,可實現(xiàn)將木材從親水材料改性為疏水材料的目的,證明覆蓋仿生玫瑰花瓣的PDMS薄膜的木板具有良好的疏水性能。

        圖3 未改性木材、玫瑰花及仿生木材的接觸角Fig.3 Contact angle of rose and bionic wood

        2.3 PDMS薄膜與PVA薄膜微觀結(jié)構(gòu)

        圖4 為木材表面、PDMS薄膜和PVA薄膜的掃描電鏡圖。其中,圖4a為木材表面的SEM圖片,可以看出木材具有清晰可見的紋理結(jié)構(gòu)。木材表面由無數(shù)個微小的細胞構(gòu)成,木材細胞壁由微晶、微纖絲和纖絲組成,微晶與微晶、微纖絲與微纖絲、纖絲與纖絲之間都有極為細微的間隙,相互連通,構(gòu)成微毛細管系統(tǒng),其內(nèi)表面巨大,因此具有較強的吸水性。圖4b為與玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)相反的PDMS薄膜,可以明顯看出PDMS薄膜表面上的乳突排列十分清晰,并且乳突為反向凹陷排列,每個乳突頂部有一部分褶皺的反向小凹槽。圖4c為與玫瑰花瓣微納結(jié)構(gòu)相同的PVA薄膜木板的SEM圖像,圖中乳突結(jié)構(gòu)與褶皺清晰可見,乳突結(jié)構(gòu)呈半球狀,上面排列著緊密且大小不一的褶皺,這種特殊的微納米結(jié)構(gòu)為木材表面疏水提供了合適的粗糙度,使水珠在木材表面呈球形狀而不會浸濕木材,從而使木材表面表現(xiàn)出遇水而不濕的現(xiàn)象。木材由親水材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己檬杷阅艿牟牧?,有效彌補了木材親水的缺陷。

        圖4 木材表面、PDMS薄膜與覆蓋在木材表面的PVA薄膜的掃描電鏡圖Fig.4 SEM of wood surface, PDMS film and PVA film covered on wood surface

        3 結(jié)論

        本研究以玫瑰花瓣為模板,聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)為試劑,采用模板印刷法[25]將玫瑰花瓣表面的微納結(jié)構(gòu)成功模擬復制于木材表面,使木材具有與玫瑰花瓣相同的微納結(jié)構(gòu),水珠在木材表面的接觸角從59.25°提高到140°以上,木材的疏水性提高;仿生木材表面疏水性能隨PVA濃度的增大而逐漸提高,在PVA濃度為1%時,仿生木材的疏水性相比普通未改性木材有較大提升,但PVA濃度為10%時疏水性能最好,最接近玫瑰花表面結(jié)構(gòu);掃描電鏡圖觀察微納結(jié)構(gòu)和正負型粗糙表面結(jié)構(gòu),結(jié)果也表明仿生木材制備成功。本研究將具有親水特性的木材改性為具有良好疏水性能的材料,有效改善了木材的吸濕特性,這對于延長木材使用壽命,提高木材利用率,拓寬木材在家具領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義,也為今后的木材改性提供了研究方向。

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